恒压荷载下混凝土柱高温性能测试方法*

漆贵海，彭小芹，叶浩文，董 艺

(1．重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045；2．贵州中建建筑科研设计院有限公司，贵州 贵阳 550006；3．中国建筑第四工程局有限公司，广东 广州 510665)

恒压荷载下混凝土柱高温性能测试方法*

漆贵海1,2†，彭小芹1，叶浩文3，董 艺2

(1．重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045；2．贵州中建建筑科研设计院有限公司，贵州 贵阳 550006；3．中国建筑第四工程局有限公司，广东 广州 510665)

混凝土构件在火灾中的高温耐火性能对建筑结构的安全性具有重要意义.根据混凝土柱构件在火灾中承受恒压荷载和高温双重作用的特征，设计出一种混凝土柱高温性能测试方法：将混凝土柱置于恒压荷载下，对其进行加热并恒温，测试加热至不同温度的混凝土构件的性能变化.根据混凝土柱在加热过程中的初始爆裂温度、高温后的爆裂程度、裂缝形态和力学性能等指标，评价其高温耐火性能.通过对3组高强混凝土棱柱体进行测试，结果表明：该方法能反映出受压混凝土柱构件的耐火性能，并且具有对测试仪器要求不高、测试方法简便和结果可靠的特点.

混凝土构件；压力荷载；测试方法；高温；爆裂；残余强度

与普通混凝土相比，高强混凝土的力学性能、抗渗性、抗冻性和耐腐蚀性均优于普通混凝土.高强混凝土承载力高，可以减小构件截面积和增加建筑物的使用面积，适宜应用于高层建筑中.近年来随着我国经济社会的不断发展，高层特别是超高层建筑不断涌现，高强混凝土得到了越来越广泛的应用.与普通混凝土相比，高强混凝土的抗火性能明显较差，火灾发生时高强混凝土常常发生普通混凝土较少出现的爆裂破坏，导致构件截面削弱，构件承载力明显降低[1-3].

近年来国内外学者对混凝土高温性能进行了大量研究，文献[4]研究了不同纤维掺量水泥浆体高温后的微观和宏观性能，文献[5]在统计混凝土和钢筋材料高温力学性能基础上，探讨了混凝土柱截面高温极限承载力的概率特性.文献[6]给出了抑制高性能混凝土高温爆裂的聚丙烯纤维最佳掺量范围和限制．文献[7-8]比较了纤维高性能混凝土与普通混凝土高温后的各项性能.文献[9]研究了无荷载高强混凝土抵抗爆裂的性能和火灾后的残余抗压强度.文献[10]得出了高温后混凝土受压破坏特征和剩余抗压强度与受火温度和受火时间的耦合关系，文献[11]建立了混杂纤维混凝土质量损失、抗压强度和抗折强度随温度变化的关系式.文献[12]研究了防火涂料对高强混凝土高温性能的改善.

国内外学者对高温前后混凝土物理力学性能的变化、高温爆裂和爆裂机理等方面进行了大量研究.以此为基础，提出一种混凝土柱构件在恒压荷载下高温性能的测试方法，并通过实验进行了验证.

1 现有测试标准与方法

1.1 混凝土高温爆裂机理

目前高强高性能混凝土高温爆裂机理主要有蒸汽压机理、热应力机理和蒸汽压加热应力机理，其中蒸汽压机理认为高性能混凝土结构密实，渗透性低，在升温过程中，致密的内部结构和不贯通的毛细孔阻止了水蒸气的快速逸出，从而产生了内部蒸汽压，当蒸汽压达到一定数值时，即引发高温爆裂；热应力机理是指在高温作用下，混凝土构件内外产生了温度梯度， 伴随温度梯度不断扩大，所产生的热应力最终引发了高温爆裂；蒸汽压加热应力机理认为是以上2种机理共同作用的结果[13-14].

1.2 现有研究方法

混凝土构件耐火性能实验方法主要有两类．

一类方法是依据国家标准的试验方法：国家标准《建筑构件耐火试验方法 第1部分：通用要求》GB/T 9978.1-2008及《建筑构件耐火试验方法 第7部分：柱的特殊要求》GBT 9978.7-2008中对混凝土柱构件的耐火试验方法作了明确的规定.但国家标准对试验设备和试验条件要求较高，一般的实验室难以达到国家标准要求，这种方法不利于工程应用中混凝土柱构件耐火性能的测试和研究.

另一类是文献中[4-11]研究者常用的方法：将混凝土置于高温炉中，以恒定速率或者ISO标准曲线升温到设定温度，冷却后观察混凝土破坏程度，并进行物理力学性能测试和微观分析.研究中混凝土多以100 mm3或150 mm3的立方体为主，也有部分研究以混凝土棱柱体为研究对象.这种试验方法对试验设备和条件要求不高，能反映出混凝土在高温前后的性能变化.但该方法仅能反映出混凝土在未受力条件下的耐火性能，不能反映火灾中荷载和高温双重作用对混凝土构件的影响，也不能实时反映出混凝土构件的物理性能随温度的劣化情况.

2 测试方法

2.1 测试装置

针对混凝土柱构件在火灾中承受恒压荷载和高温双重作用的特点，以混凝土实验室常用设备为主，进行混凝土高温性能测试设备的设计.试验设备用于模拟火灾中高温对承受荷载的混凝土构件的影响和破坏，试验装置示意图见图1所示.设备由3部分组成：加热设备、温控设备和荷载设备.加热设备由陶瓷电热元件组成，对混凝土进行高温均匀加热，模拟火灾中承受高温的混凝土构件；温控设备主要由热电偶组成，通过热电偶对加热温度进行控制，当达到试验要求的温度后，设备自动停止加热；荷载由压力试验机提供，当混凝土加载到试验所需荷载时停止加荷并保持恒压，模拟建筑工程中承受荷载的混凝土柱构件.

图1 混凝土高温试验装置图

2.2 试验方法

按混凝土配比成型立方体和棱柱体试件，在标准养护室中养护到28 d后进行力学性能测试.将高温耐火试验的棱柱体试件放置于干燥通风的室内环境中，状态调整1周后进行试验，使含水率达到室内平衡含水率水平.如有需要，可在混凝土成型过程中预埋康铜热电偶，测试高温试验过程中试件内部温度的变化情况.

高温耐火试验步骤：①加载：室温下用压力机将棱柱体均匀加压至试验设定值，并保持压力恒定.压力设定值根据混凝土棱柱体轴心抗压强度值确定，控制在其值的20%～80%范围内；②加热：通过电加热套进行加热，升温速率可根据需要进行调整，但不能超过ISO834标准升温曲线的速率.电加热套由加热部分和温控两部分组成.加热元件被包裹在铝合金外壳中，为了保证良好的加热效率和安全性，每个电加热套上配有2层石棉垫板；③恒温：在混凝土表面温度达到试验设定温度后，调节温控设备保持当前温度一段时间.试验结束后停止加热卸去荷载，冷却后取出加热套，观察混凝土损伤情况.试验过程中为防止混凝土爆裂的碎片弹出伤人，设备四周应加防护网.

2.3 结果评价

1)混凝土爆裂情况：在整个实验过程中记录混凝土初始爆裂温度以及试验过程中的爆裂次数.观察混凝土在升温过程中的变化.

2)裂缝及破损程度：观察混凝土表观变化，测量混凝土表面的裂缝数量、宽度和长度，记录混凝土的破损情况.

3)力学性能：测试混凝土高温后的轴心抗压强度，计算强度损失率.

通过对高温后混凝土初始爆裂温度、裂缝、破损和力学性能的测试，评价混凝土在荷载下的高温耐火性能.

3 应用示例

按照表1中的配合比配制混凝土.纤维是美国进口格雷斯聚丙烯纤维，纤维直径18 μm，长度19 mm；减水剂为聚羧酸减水剂.每立方米混凝土中胶凝材料组成：550 kg P·Ⅱ52.5水泥和150 kg掺合料(由粉煤灰微珠、矿渣粉和硅灰组成).养护28 d后，进行抗压强度及高温耐火试验.棱柱体试件在高温试验前，含水率经测试在2%～4%之间.

表1 混凝土配合比

实验装置见图2所示，高温试验时棱柱体加压至轴心抗压强度值的30%，升温速率控制在10 ℃/min，比ISO834的升温速率低，加热时间-温度曲线见图3.将混凝土分别加热至200 ℃,300 ℃和400 ℃，保温时间30 min，对混凝土的爆裂情况、裂缝及破损程度和力学性能进行分析.

图2 实验加热套及实验装置

时间/min

3.1 试样爆裂情况

在升温过程中，3组混凝土表面均有大量水蒸气冒出，加热至200 ℃后混凝土表面颜色略微泛白，加热至300 ℃后混凝土表面泛灰白色，加热至400 ℃后混凝土表面灰白色更加明显，颜色较200 ℃和300 ℃时更浅.实验后混凝土棱柱体见图4和图5.

混凝土1#在加热到200 ℃过程中棱角处有小范围爆裂，初始爆裂温度为161 ℃，恒温过程中未发生爆裂；1#在加热到300 ℃和恒温过程中各出现1次爆裂，爆裂部分呈小碎块状，初始爆裂温度为177 ℃，恒温8 min后棱柱体一角发生崩裂；1#在加热到400 ℃和恒温过程中均出现3次以上爆裂，碎片呈大碎块状，初始爆裂出现在207 ℃，卸载时混凝土再次发生崩裂.温度越高，高强混凝土爆裂发生的频率越大.

图4 混凝土1#高温后情况

图5 混凝土3#高温后情况

掺加纤维的混凝土2#和3#在加热和恒温过程中均未发生爆裂现象，说明聚丙烯纤维能阻止高强混凝土高温时的爆裂现象.

根据PHAN L T的研究结果，混凝土在100～200 ℃时开始排出游离水和吸附水；在200～300 ℃时大量排出游离水并开始失去硅酸钙凝胶孔中的水；在300～400 ℃时凝胶孔中的水进一步被排出[2].实验中高强混凝土初始爆裂温度一般在160～210 ℃之间，是混凝土开始排出游离水的时间.试验升温速率较快(10 ℃/min)，高强混凝土具有高密实度和低渗透性，混凝土中游离水在加热过程中来不及完全排出，导致在加热和恒温过程中均有爆裂现象发生.

3.2 裂缝及破损程度

在温度为200 ℃时混凝土1#棱角处发生爆裂，爆裂呈剥落状，爆裂部分成小碎片状，最大爆裂面积约70 cm2，表面未发现裂缝；混凝土2#表面出现4条竖向裂缝，裂缝最大长度为150 mm，裂缝宽度约0.05 mm；混凝土3#底部侧面出现一条裂缝，表面裂缝周围混凝土有起拱现象.

在温度为300 ℃时混凝土1#爆裂程度比200 ℃剧烈，爆裂部分呈小碎块状，爆裂体积约占混凝土体积的30%；混凝土3#表面有多条竖向裂缝，裂缝宽度约0.05～0.1 mm，两侧面有龟裂，棱柱体棱角处发现有水平裂缝；混凝土3#表面有龟裂，棱柱体棱角处发现有水平裂缝.掺加纤维的2组混凝土表面裂缝数量和裂纹宽度较200 ℃时多.

在温度为400 ℃时混凝土1#出现崩裂，碎片呈大碎块状，崩裂体积约占混凝土体积的50%以上，高强混凝土爆裂程度随温度的升高不断加剧；混凝土2#两侧面、底面均出现较大的竖向裂缝，最大宽度达到0.5 mm，伴随有宽度0.3 mm的横向裂缝，混凝土侧面有龟裂出现；混凝土3#两侧面、底面均出现较大的竖向、横向裂缝，最大宽度达到0.4 mm.与200 ℃和300 ℃时相比，掺加纤维的2#混凝土在400 ℃高温时表面裂缝数量明显增多，裂缝宽度增加.实验表明高强混凝土的裂缝和破损随着温度的升高不断增加.

3.3 强度分析

高温前后混凝土轴心抗压强度及强度损失实验结果见表2和图5所示.其中混凝土1#在400 ℃高温实验后破坏严重，已基本丧失结构承载能力，无法进行轴心抗压强度实验，将其强度视为0.

从实验结果可知，随着温度升高，混凝土的强度不断降低，强度损失不断增加.3#混凝土在200 ℃时强度损失相差不大，在30%左右；到400 ℃时，混凝1#已失去构件的承载能力，强度损失达100%，而2#强度损失为39.5%.实验结果表明聚丙烯纤维能改善高强混凝土高温后的力学性能.

表2 混凝土轴心抗压强度值

从图6可以看出，随着温度升高，混凝土2#力学性能下降速率明显要比3#缓慢，并且高温后残余强度也是3组中最高的，说明对于改善高强混凝土高温后力学性能，纤维掺量并不是越高越好.KALIFA P等人通过对高温后高性能混凝土渗透性和微观结构的研究，提出了纤维掺量限值为1.75 kg/m3，并建议纤维掺量不宜超过2 kg/m3，掺量超量后会导致常温和高温后混凝土强度的降低[6].

温度/℃

4 结 语

由压力机、加热设备和温控设备等实验室常规仪器组成的高温性能测试装置能实时反映压力荷载和高温双重作用对混凝土柱的影响，测试方法简单易行，测试结果可靠.实验中根据高温后构件的爆裂情况、裂缝、损伤程度、强度损失等指标对混凝土高温性能进行综合评价，有利于从多方面反映混凝土经受恒压荷载和高温后性能的变化.应用示例实验结果表明：聚丙烯纤维有助于防止高强混凝土高温爆裂现象的发生.掺加1 kg/m3纤维的高强混凝土棱柱体高温后强度损失最小，其性能优于未掺加纤维和掺加2 kg/m3纤维的混凝土.

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Test Method for Concrete Column Performance under Compressive Loading at High Temperature

QI Gui-hai1,2†，PENG Xiao-qin1，YE Hao-wen3，DONG Yi2

(1.College of Material Science and Engineering, Chongqing Univ, Chongqing 400045, China；2. Guizhou Construction Science Research and Design Institute Corp Ltd of CSCEC, Guiyang, Guizhou 550006, China；3. China Construction Fourth Engineering Division Corp Ltd, Guangzhou, Guangdong 510665, China)

The fire resistance performance of concrete component is very important for building structure safety. A test method was proposed for concrete column at high temperature under compressive loading. Firstly, a concrete column was placed under constant compressive loading, and then, the performance of the concrete column was tested at different constant temperatures after heating. The performance of the concrete column at high temperature was evaluated by first spalling temperature, spalling degree, fracture shape and axial compressive strength in the course of heating. Test results of three groups of concrete prisms show that this method can reflect the performance of concrete column at high temperature under compressive loading, and also has the advantages of low requirements for test instruments, convenient testing methods and reliable results.

concrete components；compressive load；test method；high temperature；spalling；residual strength

1674-2974(2015)07-0069-05

2014-11-18

“十二五”国家科技支撑计划课题(2011BAJ03B10)；贵州省重大科技专项(黔科合重大专项字[2012]6024号)

漆贵海(1983-)，男，四川双流人，重庆大学博士研究生，贵州中建建筑科研设计院有限公司工程师

†通讯联系人，E-mail:qiguihai@126.com

TU528.0

A